PL199399B1 - Sposób wytwarzania płaskownika chromowego w nano-przyrządach - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania płaskownika chromowego w nano- -przyrządach. Sposób polega na tym, że w podłożu wykonuje się uskok o kształcie przyszłego płaskownika. Następnie całość pokrywa się warstwą chromu, której grubość będzie szerokością przyszłego płaskownika, po czym pokrywa się warstwą materiału trudnotopliwego. Po osadzeniu tej warstwy prowadzi się anizotropowe trawienie materiału trudnotopliwego, aż do odsłonięcia chromu na krawędzi uskoku. Później osadza się warstwę o zawartości co najmniej 50 % dwutlenku krzemu i prowadzi się wygrzewanie w temperaturze powyżej 450°C przez czas powyżej 60s. Następnie strawią się warstwę zawierającą dwutlenek krzemu, a także pozostałą warstwę materiału trudnotopliwego. W końcowym etapie prowadzi się trawienie warstwy chromu, aż do jej usunięcia z poziomych powierzchni podłoża.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania płaskownika chromowego w nano-przyrządach, zwłaszcza płaskownika o szerokości od kilkunastu do kilkuset nanometrów i wysokości większej od szerokości, czyli usytuowanego prostopadle do powierzchni nano-przyrządu. Materiałem służącym do wytworzenia tego nano-płaskownika jest chrom.

Zastosowania miniaturowych elementów o kształcie płaskownika (wstęgi lub taśmy), podzielić można na mechaniczne i elektryczne. Zastosowania mechaniczne nano-płaskownika to wszelkiego rodzaju przyrządy mikromechaniczne, gdzie wykorzystywany jest jego kształt, jego mała szerokość, usytuowanie w przestrzeni, jego mała masa i bezwładność. W najprostszym przypadku nanopłaskownik tego typu może służyć do osłony określonej części podłoża, na której się znajduje. Swobodny odcinek nano-płaskownika o odpowiednim kształcie może służyć do rozdzielania, hamowania przepływu gazów, może stanowić element czuły na ciśnienia, przyspieszenia czy wibracje. Płaskownik mocowany dwustronnie stanowi rodzaj pionowej membrany, wrażliwej na minimalne naciski, wychylenia czy drgania. Mnożyć można podobne sensorowe zastosowania nano-płaskownika.

W zastosowaniach elektrycznych wykorzystuje się przepł yw prą du przez metalowy nanopłaskownik. W stosunku do nano-drutu o tej samej szerokości nano-płaskownik odznacza się większym przekrojem poprzecznym, czyli większą dopuszczalną gęstością prądu przy zajmowaniu tej samej powierzchni poziomej w nano-przyrządzie. Rezystancja elektryczna nano-płaskownika zależy od temperatury, a z uwagi na znikomą pojemność cieplną jest on dobrym elementem termoczułym sond termometrycznych. Przepływ prądu rozgrzewa swobodnie zawieszony nano-płaskownik i powoduje jego odwracalne zmiany wymiarów, co można wykorzystać w konstrukcjach miniaturowych czujników i aktuatorów. Nano-pł askownik moż e stanowić okł adkę pionowego kondensatora, również kondensatorowego czujnika wielkości fizycznych.

Jest wiele znanych sposobów wytwarzania miniaturowych płaskowników położonych równolegle w stosunku do podłoża, choćby typowa technologia cienkowarstwowa z fotolitograficznym trawieniem materiału płaskownika. Aby umieścić płaskownik prostopadle do powierzchni podłoża, jego wzór (maska do trawienia) musi być bardzo wąski, a grubość tzw. cienkiej warstwy, służącej do jego wytworzenia, duża - nie jest to zwykła technologia cienkowarstwowa. Wzory o szerokościach poniżej mikrometra wytwarza się przy użyciu metody „step-and-repeat, w której wzór, powiększony np. pięciokrotnie, przenoszony jest w procesie naświetlania przez optyczny układ zmniejszający na płytkę pokrytą warstwą fotorezystu. Najmniejsze osiągane obecnie szerokości wzorów są rzędu 100 nm. Duży problem stanowi wytworzenie tą metodą ścieżki metalicznej o wysokości znacznie większej od szerokości (czyli prostopadłego płaskownika), gdyż materiał podtrawia się bocznie pod maskę. Należy stosować trawienie anizotropowe, co w stosunku do polikrystalicznej warstwy chromu jest poważnym problemem.

Inną metodą jest wytworzenie wzoru fotolitograficznego o większej szerokości, wzdłuż zagłębienia z warstwą metalu i celowe podtrawianie boczne metalu poza wzorem. Jest to jednak trudne do realizacji, ponieważ szybkość trawienia ulega lokalnym wahaniom i nie można zadowalająco kontrolować rozmiaru płaskownika.

Innym sposobem wytwarzania na podłożu obiektów o większej wysokości niż szerokości - jest metoda trawienia skoncentrowaną wiązką jonów (FIB). Umożliwia ona wytworzenie nie tyle płaskownika co ścianki, o rozważanych tu wymiarach. Jest to metoda kosztowna i trudno dostępna, a w celu uzyskania swobodnego płaskownika należałoby odłączyć ściankę od podłoża.

Znany jest sposób wytwarzania kondensatora za pomocą głębokiego trawienia krzemu (tzw. trench), stosowany w produkcji pamięci RAM. Pomimo, że elektroda kondensatora umieszczona jest prostopadle do powierzchni podłoża technologia ta nie prowadzi do wytworzenia płaskownika, gdyż elektroda ta przybiera kształt tygla lub walca.

Płaskownik usytuowany prostopadle do powierzchni mógłby zostać wytworzony przez osadzanie galwaniczne, na przykład według zgłoszenia P-359 839, lecz własności tak cienkiej warstwy chromu osadzanej galwanicznie są gorsze niż warstwy napylonej próżniowo.

Sposób według wynalazku polega na tym, że najpierw w podłożu wykonuje się uskok o kształcie przyszłego płaskownika i na uskoku wytwarza się warstwę nieprzewodzącą. Następnie całość pokrywa się warstwą chromu, której grubość będzie szerokością przyszłego płaskownika i pokrywa się warstwą materiału trudnotopliwego, korzystnie tytanu. Po osadzeniu warstwy materiału trudnotopliwego prowadzi się jego anizotropowe trawienie, korzystnie za pomocą trawienia jonowego, aż do odsłonięcia chromu na krawędzi uskoku. Później osadza się warstwę o zawartości co najmniej 50% dwuPL 199 399 B1 tlenku krzemu i prowadzi się wygrzewanie w temperaturze powyżej 450°C przez czas powyżej 60 s. Następnie strawią się warstwę zawierającą dwutlenek krzemu, korzystnie w roztworze kwasu fluorowodorowego a także pozostałą warstwę materiału trudnotopliwego. W następnym etapie prowadzi się trawienie warstwy chromu, korzystnie w roztworze zawierającym azotan cerowo - amonowy, aż do jej usunięcia z poziomych powierzchni podłoża. Dla niektórych zastosowań możliwe jest naniesienie warstwy chromu bezpośrednio na podłoże, jak również prowadzenie wygrzewania warstwy zawierającej dwutlenku krzemu w trakcie procesu jej osadzania.

Zaletą sposobu wytwarzania według wynalazku jest możliwość precyzyjnej kontroli szerokości płaskownika przez zmianę grubości warstwy chromu oraz jego wysokości - przez zmianę wysokości uskoku i czasu trawień. Nie ma ograniczenia co do długości ani kształtu płaskownika. Wytworzony nano-płaskownik odznacza się minimalną masą, bezwładnością i pojemnością cieplną, może być wykorzystany w nano-przyrządach we wszystkich wymienionych na wstępie zastosowaniach. Dalszą zaletą jest taniość zaproponowanego rozwiązania i dostępność niezbędnych urządzeń technologicznych. Nie są wymagane żadne urządzenia do przenoszenia wymiarów nanometrowych.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, gdzie na przekrojach fragmentu nano-przyrządu przedstawiono poszczególne etapy wytwarzania płaskownika chromowego. Fig. 1 rysunku pokazuje podłoże po wykonaniu uskoku i wytworzeniu warstwy nieprzewodzącej, fig. 2 po pokryciu warstwą chromu, fig. 3 po pokryciu warstwą materiału trudnotopliwego. Na fig. 4 pokazano fragment nano-przyrządu po odsłonięciu chromu na krawędzi uskoku, a na fig. 5 po osadzeniu warstwy zawierającej dwutlenek krzemu. Na fig. 6 przedstawiono fragment nano-przyrządu po strawieniu warstwy zawierającej dwutlenek krzemu i strawieniu materiału trudnotopliwego, a na fig. 7 po strawieniu zbędnych fragmentów warstwy chromu.

W przykł adzie w krzemowym podł o żu 1, wykonano uskok, który w przekroju ma kształ t schodka. W celu zapewnienia izolacji elektrycznej podłoże krzemowe utleniono, w wyniku czego powstała warstwa dwutlenku krzemu 2. Następnie na podłożu z wykonanym uskokiem osadzono za pomocą rozpylania magnetronowego warstwę chromu 3 o grubości 100 nm. Grubość tej warstwy 3 na pionowej części uskoku stanowić będzie szerokość przyszłego płaskownika. W następnej kolejności również za pomocą rozpylania magnetronowego na warstwie chromu 3 osadzono warstwę tytanu 4 o gruboś ci ok. 100 nm. Po osadzeniu warstwy tytanu 4 ca ł o ść poddano trawieniu jonowemu jonami argonu w planarnym urządzeniu do trawienia. Trawienie to prowadzono tak długo, aż tytan został strawiony z krawędzi uskoku 5, lecz nie z całej powierzchni podłoża. Po zakończeniu tego trawienia osadzono warstwę dwutlenku krzemu 6 o grubości od 50 nm - 2μm i wygrzano w temperaturze 600°C przez czas 420 s. Potem strawiono w wodnym roztworze kwasu fluorowodorowego warstwę dwutlenku krzemu 6, a także pozostałą warstwę tytanu 4. Następnie prowadzono trawienie warstwy chromu 3 w roztworze zawierającym azotan cerowo - amonowy tak długo, aż chrom został usunięty z poziomych powierzchni podłoża i pozostał jedynie płaskownik na pionowej części uskoku.

Claims (6)

1. Sposób wytwarzania płaskownika chromowego w nano-przyrządach, znamienny tym, że w podłożu wykonuje się uskok o kształcie przyszłego płaskownika, następnie podłoże z uskokiem pokrywa się warstwą chromu, której grubość na uskoku będzie szerokością przyszłego płaskownika, później na warstwę chromu nakłada się warstwę materiału trudnotopliwego, a po nałożeniu tej warstwy prowadzi się anizotropowe trawienie materiału trudnotopliwego aż do odsłonięcia chromu na krawędzi uskoku, następnie osadza się warstwę o zawartości co najmniej 50% dwutlenku krzemu i prowadzi się wygrzewanie w temperaturze powyżej 450°C przez czas powyżej 60 s, po wygrzaniu strawia się, korzystnie w roztworze kwasu fluorowodorowego, warstwę zawierającą dwutlenek krzemu, a także strawia się pozostałą warstwę materiału trudnotopliwego, następnie prowadzi się trawienie warstwy chromu aż do jej usunięcia z poziomych powierzchni podłoża.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed pokryciem uskoku warstwą chromu na uskoku wytwarza się warstwę nieprzewodzącą.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiałem trudnotopliwym jest tytan.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że anizotropowe trawienie materiału trudno topliwego prowadzi się za pomocą trawienia jonowego.

PL 199 399 B1

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wygrzewanie warstwy zawierającej dwutlenek krzemu prowadzi się w procesie osadzania tej warstwy.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że trawienie warstwy chromu prowadzi się w roztworze zawierającym azotan cerowo - anionowy.